頁(yè)巖滲流-損傷演化特征試驗(yàn)研究

孫文吉斌，左宇軍，鄔忠虎，許云飛

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州省優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；4.復(fù)雜地質(zhì)礦山開(kāi)采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽(yáng) 550025)

頁(yè)巖滲流-損傷演化特征試驗(yàn)研究

孫文吉斌1,2,3,4，左宇軍1,2,3,4，鄔忠虎1,2,3,4，許云飛1,2,3,4

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州省優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；4.復(fù)雜地質(zhì)礦山開(kāi)采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽(yáng) 550025)

頁(yè)巖屬于低滲致密巖石，頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透性是頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題，基于巖石力學(xué)三軸滲透性試驗(yàn)，研究黔北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖滲流-損傷演化過(guò)程的特征。試驗(yàn)結(jié)果表明：頁(yè)巖滲透率的變化與損傷作用與應(yīng)力狀態(tài)有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，頁(yè)巖損傷演化過(guò)程存在不同階段性特點(diǎn)，損傷主要發(fā)生在彈塑性變形階段與在應(yīng)變軟化階段；頁(yè)巖滲透率演化落后于頁(yè)巖損傷破壞演化過(guò)程；中等圍壓條件下試樣出現(xiàn)局部變形帶壓縮帶，造成頁(yè)巖滲透率有一定程度的減小，壓縮帶是造成了頁(yè)巖滲透率演化過(guò)程落后于頁(yè)巖損傷破壞演化過(guò)程的原因。

頁(yè)巖；滲透率；損傷演化；圍壓；試驗(yàn)

頁(yè)巖氣作為我國(guó)重要的非常規(guī)能源，人們對(duì)頁(yè)巖氣的開(kāi)采愈發(fā)重視。頁(yè)巖層埋深大，儲(chǔ)層巖石致密，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于超低滲透多孔介質(zhì)，基質(zhì)孔隙直徑為微納米尺寸[1]。隨著我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采規(guī)模的增加，對(duì)頁(yè)巖深部開(kāi)采技術(shù)要求越來(lái)越高，開(kāi)采過(guò)程中面對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層地應(yīng)力以及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜性也隨之增加[2]。此外，在頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中，出現(xiàn)頁(yè)巖儲(chǔ)層初期出氣量大，短時(shí)間內(nèi)頁(yè)巖氣出氣量急劇下降的問(wèn)題。頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)主要采用的是水力壓裂技術(shù)，因此，對(duì)頁(yè)巖在滲流影響下?lián)p傷機(jī)制演化以及滲透特性的研究顯得愈發(fā)重要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變滲透性進(jìn)行了大量的研究，Siavash Ghabezloo[3]通過(guò)對(duì)砂巖進(jìn)行了三軸加滲透試驗(yàn)，討論了圍壓、孔隙水壓力與滲透率的關(guān)系。 Rob Heller[4]通過(guò)試驗(yàn)研究了圍壓、孔隙壓力與頁(yè)巖滲透率的關(guān)系，并且討論了Darcy和擴(kuò)散通量對(duì)頁(yè)巖氣滲流的影響，并且通過(guò)分析數(shù)據(jù)表明有效滲透率在非常低的孔隙壓力下得到顯著的提高是因?yàn)榛撔?yīng)的存在。朱珍德等[5]討論了脆性巖石在不同圍壓條件下的滲透特性。王偉等[6]對(duì)凝灰?guī)r進(jìn)行三軸滲透性試驗(yàn)，討論了巖石破裂不同階段滲透性的演化規(guī)律。彭淑萍等[7]，黃遠(yuǎn)智等[8]，馬占國(guó)等[9]，陳天宇等[10]學(xué)者對(duì)巖石處于不同應(yīng)力條件下時(shí),巖石滲透特性進(jìn)行了研究與探討。但是目前鮮有文獻(xiàn)涉及頁(yè)巖損傷演化過(guò)程與滲透性耦合關(guān)系的研究。為了更加深入研究相關(guān)理論，對(duì)頁(yè)巖試樣開(kāi)展三軸滲透性試驗(yàn)以探討頁(yè)巖在不同應(yīng)力狀態(tài)下，其損傷演化特征及其對(duì)頁(yè)巖滲透性的影響。

本文以我國(guó)貴州北部下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖作為研究對(duì)象，通過(guò)三軸滲透性試驗(yàn)研究，結(jié)合全應(yīng)力-應(yīng)變滲透性曲線、滲透率-損傷曲線揭示黔北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖損傷演化過(guò)程，及其對(duì)頁(yè)巖滲透性的影響。

1 試驗(yàn)方法及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在MTS815巖石力學(xué)伺服系統(tǒng)上進(jìn)行，該系統(tǒng)由圍壓、軸壓和孔隙壓力獨(dú)立控制加載。該系統(tǒng)由加載部分、測(cè)試部分、控制部分、程序控制部分組成。最大圍壓140 MPa，最大軸向壓力為4 600 kN，垂直活塞行程100 mm。

1.2 制備試樣

試樣巖芯取自于黔北鳳崗三區(qū)塊，試樣制備按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，加工成為高徑比2∶1(直徑50 mm、長(zhǎng)度100 mm)的圓柱形。

1.3 試驗(yàn)原理及方法

采用不同圍壓與不同滲透壓下對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行三軸滲透性的試驗(yàn)方案，獲得頁(yè)巖損傷演化過(guò)程，及其對(duì)頁(yè)巖滲透性的影響。國(guó)內(nèi)外許多專家對(duì)巖石損傷給出很多不同的概念。在應(yīng)力環(huán)境作用下，細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化(微裂隙、孔隙)引起材料結(jié)構(gòu)的劣化，稱之為損傷[11]。在宏觀力學(xué)分析中，許多專家學(xué)者將損傷定義為巖石彈性模量的劣化程度[12-14]，其中損傷因子D定義為式(1)。

(1)

本次試驗(yàn)測(cè)量頁(yè)巖試樣滲透率的方法采用瞬態(tài)法，其基本原理是利用試樣上下水的壓差變化來(lái)計(jì)算頁(yè)巖試樣的滲透率。試驗(yàn)過(guò)程中計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)獲取每級(jí)施加壓力下的試樣數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)可以繪制全應(yīng)力-應(yīng)變滲透性曲線。試驗(yàn)滲透計(jì)算見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：μ是水的黏度系數(shù)，Pa·s，式中μ=10-3Pa·s；β是水的壓縮系數(shù)，Pa-1，式中β=4.53×10-10Pa-1；V是容水體積，V=332cm3；Δpi/Δpf是測(cè)試試樣滲透率時(shí)初始?jí)翰钆c最終壓差之比；Δt為試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間，s；As為樣品的截面積，cm2；Ls為樣品的長(zhǎng)度，cm。

1.4 試驗(yàn)方法

為了研究不同應(yīng)力條件下頁(yè)巖損傷演化過(guò)程及其對(duì)滲透性的影響，將試驗(yàn)圍壓設(shè)置為20MPa、30MPa、40MPa、50MPa；滲透壓差設(shè)置為16MPa，如表1所示。試驗(yàn)前，將試樣放置蒸餾水中浸泡8h，是頁(yè)巖試樣的孔裂隙中充滿孔隙水，試驗(yàn)過(guò)程中孔隙水壓力恒定為1MPa。試驗(yàn)過(guò)程中，給試樣先施加一定軸壓與圍壓，待試樣穩(wěn)定后對(duì)再施加滲透壓差，不斷施加軸壓，測(cè)得的每級(jí)軸壓下的壓差，用來(lái)計(jì)算頁(yè)巖試樣滲透率。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

不同圍壓條件下頁(yè)巖試樣全應(yīng)力、應(yīng)變曲線具有一定的相似性，所以本文就以30 MPa圍壓下頁(yè)巖損傷破壞為例，對(duì)其損傷演化過(guò)程及其滲透性進(jìn)行分析，試樣全應(yīng)力、應(yīng)變滲透性曲線如圖1所示?？梢钥闯?，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可以為四個(gè)階段，分別為試樣內(nèi)部孔裂隙被壓密階段(階段Ⅰ)、彈性線性變形階段(階段II)、彈塑性變形階段(階段Ⅲ)、應(yīng)變軟化階段(階段Ⅳ)。

圖1 頁(yè)巖試樣全應(yīng)力應(yīng)變滲透率曲線

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在試樣內(nèi)部孔裂隙被壓密階段(階段Ⅰ)，頁(yè)巖試樣內(nèi)部孔裂隙由于受到軸壓與圍壓的作用，頁(yè)巖內(nèi)部孔裂隙受到擠壓，孔隙與微裂隙被壓密，滲流通道減?。粌?nèi)部骨架與礦物顆粒也受到應(yīng)力作用進(jìn)一步壓實(shí)，顆粒間的滲透通道被壓密，張開(kāi)度減小，造成了水在頁(yè)巖試樣內(nèi)部流動(dòng)困難，宏觀上體現(xiàn)出頁(yè)巖試樣滲透率有一定程度的減小，此時(shí)頁(yè)巖內(nèi)部孔隙與微裂隙被壓密。

在彈性線性變形階段(階段II)，頁(yè)巖繼續(xù)受到增大的軸壓作用，內(nèi)部孔隙與微裂隙進(jìn)一步被壓實(shí)，此時(shí)由于圍壓的作用試樣徑向微裂隙被壓密，橫向微裂隙有一定程度的張開(kāi)；橫向微裂隙由于受到軸向壓力的作用被壓密，徑向微裂隙一定程度的張開(kāi)；此時(shí)細(xì)觀橫向與縱向微裂隙受到不同方向應(yīng)力的作用造成了細(xì)觀結(jié)構(gòu)的改變，微裂隙翼端開(kāi)始出現(xiàn)剪切應(yīng)力。內(nèi)部骨架顆粒受到不同方向的應(yīng)力作用，由于軸壓的不斷增大而圍壓不變，因此試樣受到的偏應(yīng)力也在增大，在被壓密的同時(shí)，頁(yè)巖內(nèi)部骨架顆粒之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力。高滲透壓使裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，導(dǎo)致裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展[15]，同時(shí)伴隨著新的微裂隙的產(chǎn)生。

在彈塑性變形階段(階段Ⅲ)，頁(yè)巖試樣的滲透率開(kāi)始時(shí)有一定程度的減小最后有很大程度的增加， 這個(gè)階段剛開(kāi)始時(shí)試樣重復(fù)上一個(gè)階段的損傷過(guò)程，由于頁(yè)巖微裂隙翼端和骨架顆粒受到的剪切應(yīng)力從而產(chǎn)生新的微裂隙，當(dāng)頁(yè)巖達(dá)到屈服極限的時(shí)候，內(nèi)部骨架顆粒破碎，孔隙與微裂隙擴(kuò)展并開(kāi)始貫通 ，高滲透壓條件下，微裂隙之間的巖橋發(fā)生剪切貫通，此時(shí)試樣表面宏觀裂隙開(kāi)始出現(xiàn)并擴(kuò)展，頁(yè)巖損傷演化達(dá)到了一定程度，宏觀上體現(xiàn)出的是頁(yè)巖試樣滲透率有很大程度的增加。

在應(yīng)變軟化階段(階段Ⅳ)，試樣內(nèi)部為裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，最后貫隙通形成宏觀裂，頁(yè)巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，試樣破壞，但是宏觀滲透率上體現(xiàn)的是滲透率先減小后增大，這是因?yàn)轫?yè)巖骨架顆粒破碎后一部分碎粒由于粒徑很小，阻塞了孔裂隙通道，造成頁(yè)巖滲透率有一定程度的減小，形成了壓縮帶，宏觀上體現(xiàn)出頁(yè)巖滲透率在增大的過(guò)程中有突然減小的現(xiàn)象。

3 損傷演化與滲透性的關(guān)系

通過(guò)式(1)算出了損傷因子的大小，并將其與滲透性曲線疊加在同一坐標(biāo)系中，如圖3所示。從圖3中可以看出，在加載應(yīng)力初期，試樣開(kāi)始損傷，頁(yè)巖滲透率隨著損傷緩慢增加開(kāi)始并沒(méi)有明顯的變化，這是因?yàn)槲⒘严睹芏刃。瑳](méi)有形成有效的滲流通道。隨著損傷的增加，微裂隙開(kāi)始擴(kuò)展，在應(yīng)力條件下?lián)p傷因子D達(dá)到0.6左右時(shí)，微裂隙開(kāi)始貫通，此時(shí)損傷因子到達(dá)最大，試樣達(dá)到屈服極限，此時(shí)頁(yè)巖試樣滲透率表現(xiàn)出來(lái)的不是最大值，這是因?yàn)閴嚎s帶阻塞了孔裂隙通道，造成頁(yè)巖滲透率有一定程度的減小，試樣損傷過(guò)程主要發(fā)生在彈塑性變形階段(階段Ⅲ)與應(yīng)變軟化階段，這兩個(gè)階段的損傷因子最大。

從圖2可以看出，頁(yè)巖滲透率演化落后于頁(yè)巖損傷破壞演化過(guò)程 ，經(jīng)過(guò)分析與討論，作者認(rèn)為在中等圍壓條件下，頁(yè)巖應(yīng)變軟化階段形成壓縮帶是造成了頁(yè)巖滲透率演化過(guò)程落后于頁(yè)巖損傷破壞演化過(guò)程的原因。

圖2 30 MPa圍壓下頁(yè)巖試樣損傷與滲透率演化曲線

不同圍壓，頁(yè)巖損傷與滲透率演化曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，頁(yè)巖試樣損傷因子并沒(méi)有因?yàn)槠茐牡陌l(fā)生一直增大到完全破壞值1，相反，峰后隨著應(yīng)變的增大損傷因子逐漸減小，滲透率減小。高圍壓條件下試樣雖然內(nèi)部出現(xiàn)損傷，雖然損傷因子一直增加，但是滲透率變化相對(duì)穩(wěn)定，后期出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，說(shuō)明高圍壓條件下頁(yè)巖試樣出現(xiàn)了硬化現(xiàn)象，試樣內(nèi)部出現(xiàn)損傷，由于高圍壓的約束，試樣沒(méi)有破壞，反而出現(xiàn)了脆延轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。

圖3 不同圍壓下頁(yè)巖試樣損傷與滲透率演化曲線

從頁(yè)巖試樣損傷與滲透率演化過(guò)程曲線中可知，頁(yè)巖滲透率的變化與頁(yè)巖損傷作用有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，頁(yè)巖滲透率演化落后于頁(yè)巖損傷破壞演化過(guò)程，中低圍壓條件下頁(yè)巖損傷演化呈現(xiàn)脆性巖石特征，高圍壓條件下頁(yè)巖出現(xiàn)脆延轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，內(nèi)部出現(xiàn)損傷，但是并沒(méi)有發(fā)生破壞，滲透率沒(méi)有發(fā)生突變。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)黔北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖進(jìn)行三軸滲透性試驗(yàn)，對(duì)頁(yè)巖滲流-損傷演化過(guò)程的特征進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

1)不同應(yīng)力條件下，頁(yè)巖損傷演化過(guò)程存在不同階段性特點(diǎn)，損傷主要發(fā)生在彈塑性變形階段(階段Ⅲ)與在應(yīng)變軟化階段(階段Ⅳ)，這兩個(gè)階段試樣內(nèi)部孔裂隙不穩(wěn)定擴(kuò)展與相互貫通，說(shuō)明了頁(yè)巖孔裂隙擴(kuò)展是造成頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)劣化的根本原因。

2)中等圍壓條件下試樣出現(xiàn)局部變形帶壓縮帶，阻塞了孔裂隙通道，造成頁(yè)巖滲透率有一定程度的減小，頁(yè)巖滲透率演化落后于頁(yè)巖損傷破壞演化過(guò)程，頁(yè)巖應(yīng)變軟化階段形成壓縮帶是造成了頁(yè)巖滲透率演化過(guò)程落后于頁(yè)巖損傷破壞演化過(guò)程的原因。

3) 頁(yè)巖滲透性與內(nèi)部損傷和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，定性分析得到頁(yè)巖損傷演化過(guò)程中損傷因子與滲透率的關(guān)系，能較好反映頁(yè)巖試樣在不同圍壓下?lián)p傷破裂過(guò)程中滲透率的變化。

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Experimental study on seepage-damage evolution of shale

SUN Wenjibin1,2,3,4, ZUO Yujun1,2,3,4,WU Zhonghu1,2,3,4, XU Yunfei1,2,3,4

(1. Mining College, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Nonmetallic Mineral Resources, Guiyang 550025, China; 3. Guizhou Engineering Lab of Mineral Resources, Guiyang 550025, China; 4. Engineering Center for Safe Mining Technology under Complex Geologic Condition, Guiyang 550025, China)

Permeability of shale reservoirs is a key issue in shale gas extraction. Based on the triaxial permeability test of rock mechanics, the characteristics of shale seepage-damage evolution of Niutitang Formation of Lower Cambrian in northern Guizhou were studied. The experimental results showed that the shale damage evolution process has different stages. Damage occurs mainly in the elastoplastic deformation stage and in the strain softening stage. Shale permeability evolution is behind the shale damage evolution process. The compressive zone of the test specimen under medium confining pressure resulted in the shale permeability decreasing to a certain extent. The compression zone is the cause of shale permeability evolution lag behind shale damage evolution process.

shale; permeability; damage evolution; confining pressure; experiment

2017-01-03

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助(編號(hào)：51574093)；貴州省重大應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助(編號(hào)：黔科合JZ字[2014]2005)；貴州省高層次創(chuàng)新型人才培養(yǎng)項(xiàng)目資助(編號(hào)：黔科合人才(2016)4011號(hào))

孫文吉斌(1984-)，男，碩士，貴州大學(xué)安全科學(xué)與工程專業(yè)，主要從事巖石力學(xué)與頁(yè)巖滲流，E-mail: sunwenjibin@163.com。

左宇軍(1965-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖石力學(xué)與采礦工程方面的教學(xué)與研究工作，E-mail: zuo_yujun@163.com。

TU45

A

1004-4051(2017)03-0142-04